JP2008083245A - 映像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源部からの光をライトパイプに導入し、ライトパイプからの光束をリレーレンズ、光変調素子、投射レンズを通して拡大投射する映像投影装置において、複雑な光学系を使用しないで各構成素子間において光のロスを小さくする。
【解決手段】ライトパイプは、光源部から第１Ｆ値の光束として入射面から入射し、第１Ｆ値よりも大きい第２Ｆ値の光束として射出面から射出するようにして、リレーレンズの高倍率化を防止し、光のロスを少なくして入射側Ｆ値の大きな近接投射型の投射レンズを適用できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示素子等からなる光変調素子を内蔵し、投影スクリーン等に映像を投射する映像投影装置に関する。

近年、液晶表示素子やＤＭＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｍａｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）光変調素子等からなる光変調素子を内蔵した映像投影装置が普及している。この種の映像投影装置は持ち運びが手軽であり、机の上等に設置して投影スクリーン等に簡便に映像等を投射することができる。

図４は、従来公知の映像投影装置１００の外観図である。映像投影装置１００は筐体１０１、操作パネル１０３、投射レンズ部１０２などから構成されている。図５は、映像投影装置１００が投影スクリーン１１７に向けて映像光を投影する状態を表す模式図である。光源１１２で発光した光は、リフレクタ１１１により反射集光され、ライトパイプ１１３の入射面１１８に集光される。入射面１１８から導入された光はライトパイプ１１３の内面において繰り返して反射され、射出面１１９から光強度分布が略均一化されて射出される。ライトパイプ１１３から射出された光は拡大レンズ１１４により拡大されて光変調素子１１５に照射される。光変調素子１１５として液晶表示素子やＤＭＤが使用されている。光変調素子１１５は、図示しないテレビ受像機やＰＣ端末から画像データを入力し、入射光を画像光へ変換する。光変調素子１１５から射出された画像光は投射レンズ１１６により投影スクリーン１１７に拡大投影される。

この種の映像投影装置１００においては、光源部から照射される光のロスを少なくして投影スクリーン１１７へ光の効率を良くして投射できるようにしたい。従って、光源部から集光された光はライトパイプ１１３内にロスのないようにして導入し、ライトパイプ１１３から射出される射出光は、光変調素子１１５の有効映像領域に光のロスがないように照射し、光変調素子１１５から射出された映像光を、投射レンズ１１６から光のロスがないように投影スクリーン１１７へ投射したい。そうすれば、装置を大掛かりにしないで明るい映像が得られ、明るい環境下においても明度や彩度の高い映像を観察することができる。

特許文献１には、光源からの集光された光をライトパイプに漏れなく入力するために、入射光を取り込む入射瞳の面積を光を射出する射出瞳の面積よりも大きくすることが記載されている。これにより、光源から効率よく入射光を集めることができる、というものである。

特許文献２には、ライトパイプを使用した投射器システムが記載されている。特に、断面が円形の形状や多角形の形状のライトパイプが記載されている。集光器とライトパイプの組み合わせは、入射する光ビームの円錐角度を最小化することにより液晶表示素子の性能を強化することができる旨が記載されている。

図６は映像投影装置１００の光路を表す説明図である。光源から集光された光はθ１の角度でライトパイプ１１３に入射する。ライトパイプ１１３内の光路は光軸１２６に対して一定の断面積を有し、その光路の外延は光軸に対して平行である。従って、ライトパイプ１１３の内面においてはθｘの角度で入射した光はθｘの角度で反射される。即ち、光源から角度θ１で入射した光は同じ角度θ１で射出面１１９から射出される。従って、ライトパイプ１１３の射出面１１９から射出される射出光のＦ値は、ライトパイプ１１３に入射した入射光のＦ値と同じである。なお、ライトパイプ１１３の射出面１１９においては光強度が均一化される。

上記図６の構成において、光源からの光は次のような場合にロスが発生する。リフレクタ１１１から集光された光がライトパイプ１１３の入射面から外れる場合、また、拡大レンズ１１４の入射側Ｆとライトパイプ１１３の射出面１１９から射出される光のＦ値とが一致しない場合、また、拡大レンズ１１４により結像されるライトパイプ１１３の射出面１１９の像が光変調素子１１５の有効映像領域と一致しない場合、また、投射レンズ１１６の入射側Ｆ値と拡大レンズ１１４の射出側Ｆ値とが一致しない場合等である。

より具体的に説明する。投影される映像光を明るくするためには、光源１１２の発光強度を大きくすれば良い。しかし、光源の発光強度を大きくしようとすると光源１１２の形状が大きくなり、光のロスを少なくしてライトパイプ１１３の入射面１１８に入射させるためにはライトパイプ１１３の径を大きくしなければならず、ライトパイプ１１３の体積が増加する。更に、拡大レンズ１１４によりライトパイプ１１３の射出面１１９の形状が拡大されて光変調素子１１５の有効映像領域に合致させる必要があるが、ライトパイプ１１３の径が大きくなるに従い、光変調素子１１５の有効表示面積も大きくする必要がある。

また、光変調素子１１５から射出される映像光のＦ値は、投射レンズ１１６の入射側のＦ値と一致させる必要がある。即ち、投射レンズ１１６の入射側のＦ値よりも光変調素子１１５から射出される映像光のＦ値が小さい場合には、投射レンズ１１６により拡大投射される映像光は光変調素子１１５に表示された画像の一部しか投射することができず、Ｆ値が大きい場合には拡大投射されるべき映像が十分に拡大されず、画像周辺が暗くなる「けられ」を生ずる、という不都合が発生する。なお、光変調素子１１５は入射光を単に透過する、又は反射する素子であることから、光変調素子１１５から射出される映像光のＦ値は拡大レンズ１１４の射出側のＦ値と一致する。
特開２００２−６２５８５号公報 特開２００２−５２９７６９号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２のいずれにも、上記光源から入射した光を、光のロスを極力低減して投影するための各構成要素の条件について、具体的に記載されていない。

本発明においては上記課題を解決するために以下の手段を講じた。

請求項１に係る発明においては、発光した光が集光された光束として射出する光源部と、前記集光された光束を入射面から入射し、導光して射出面から光束を射出するライトパイプと、前記射出された光束を伝達するリレーレンズと、前記リレーレンズからの光束を入射して映像光へ変換する光変調素子と、前記光変調素子からの映像光を拡大投射する投射レンズとを備えた映像投影装置において、前記ライトパイプは、前記光源部から第１Ｆ値の光束として前記入射面から入射し、前記第１Ｆ値よりも大きい第２Ｆ値の光束として前記射出面から射出することを特徴とする映像投影装置とした。

請求項２に係る発明においては、前記ライトパイプの光軸に直行する平面と前記ライトパイプ内の光路とが交差する前記光路の横断面は、入射側から射出側にかけて末広状に拡大することを特徴とする請求項１に記載の映像投影装置とした。

請求項３に係る発明においては、前記ライトパイプ内の光路の外延は、前記ライトパイプの光軸に対して０．９°〜２．０°の範囲のテーパー角を有することを特徴とする請求項２に記載の映像投影装置とした。

請求項４に係る発明においては、前記ライトパイプ内の光路の外延は、前記ライトパイプの光軸に対して１．３°〜１．７°の範囲のテーパー角を有することを特徴とする請求項３に記載の映像投影装置とした。

請求項５に係る発明においては、前記ライトパイプは、透光性材料を用いた中実パイプであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の映像投影装置とした。

請求項６に係る発明においては、前記光源部の前記第１Ｆ値が０．９〜１．１であり、前記ライトパイプの射出側の前記第２Ｆ値が１．２〜１．６であり、前記光変調素子の映像光射出側の第３Ｆ値が３．１〜４．２であり、前記投射レンズの入射側は前記第３Ｆを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の映像投影装置とした。

請求項７に係る発明においては、前記投射レンズは、投射側の半画角が４０°以上の広角レンズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の映像投影装置とした。

請求項８に係る発明においては、前記光源部から入射する光束のうち前記ライトパイプの光軸に対して最大角度を有する光は、前記ライトパイプの内面において少なくとも２回繰り返して反射されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の映像投影装置とした。

本発明に係る映像投影装置は、発光した光を集光して光束として射出する光源部と、この光源部からの光束を入射面から入射して射出面から射出するライトパイプと、このライトパイプからの光束を伝達するリレーレンズと、このリレーレンズにより伝達された光束を入射して映像光へ変換する光変調素子と、光変調素子からの映像光を拡大投射する投射レンズを備えており、特に、ライトパイプは光源部から入射した光束のＦ値を拡大させてリレーレンズへ射出するようにした。これにより、リレーレンズの拡大倍率を低下させて、リレーレンズと投射レンズとの間のＦ値を複雑な光学系を使用することなく容易に整合させることができる、という利点を有する。

また、ライトパイプの光軸に直行する面内におけるライトパイプの光路の断面積を、入射側から射出側にかけて末広状に拡大させて、入射面の面積よりも射出面の面積を増加させることにより、複雑な光学系を使用することなく、ライトパイプへの入射光に対するライトパイプからの射出光のＦ値を拡大させることができる、という利点を有する。

また、ライトパイプの光路の外延、即ちライトパイプの内反射面は、ライトパイプの光軸に対して０．９°〜２．０°の範囲、より好ましくは１．３°〜１．７°の範囲のテーパー角を有するようにした。これにより、光源部から入射したＦ値が１の光束を、射出面から射出するＦ値が１．２〜１．６、より好ましくは１．３〜１．５の範囲内の光束にすることができるので、リレーレンズを適切な倍率に設定することができ、光のロスを低減させることができる。

また、ライトパイプを中実パイプとすることにより、ライトパイプの外形表面における全反射を利用することができるので、ライトパイプ内の反射による光のロスを低減させることができる、という利点を有する。

また、光源部の第１Ｆ値を０．９〜１．１とし、ライトパイプの射出側の第２Ｆ値を１．３〜１．４とし、光変調素子の映像光の射出側の第３Ｆ値を３．０〜４．０とし、投射レンズの入射側を前記第３Ｆ値とした。これにより、投射レンズやリレーレンズを複雑な構成にすることなく光のロスを低減させることができる、という利点を有する。

また、投影レンズは投射側の半画角が４０°以上を有する広角レンズとした。これにより、狭い環境で投影装置を使用する場合でも、大きく拡大投影することができる、という利点を有する。その他本発明の効果は各実施の形態の説明において説明する。

図１は、本発明の実施の形態を表す映像投影装置１のブロック図である。映像投影装置１は、光を発生する光源部２と、この光源部２からの光を導光して略均一な面分布の光束を射出するライトパイプ５と、映像信号に応じて多数の微小なライトバルブを制御して入射光を映像光へ変換する光変調素子である液晶表示素子１０と、この液晶表示素子１０にライトパイプ５から射出された光束を導くリレーレンズ９と、液晶表示素子１０からの映像光を拡大して投射する投射レンズ１１とから構成されている。なお、光変調素子として透過型の液晶表示素子１０としたが、これを反射型の液晶表示素子や反射型のＤＭＤ光変調素子を用いることができる。

光源部２は、光源４と、この光源４からの光を集光するリフレクタ３とから構成されている。光源４としてはハロゲンランプや水銀ランプ、あるいは、発光ダイオードなどを使用する。リフレクタ３は、非球面形状を有し、光源４からの発光をライトパイプ５の入射面１５に集光する。リフレクタ３から集光される光束のＦ値（レンズの焦点距離をｆとし、焦点からレンズを見る見込み角をθとした場合に、Ｆ＝ｆ／２ｓｉｎ（θ））は０．７５〜１．５、好ましくは０．９〜１．１の範囲の値を有する。従って、角度θｆ１は４２°〜２０°の範囲、好ましくは３４°〜２７°の範囲となる。リフレクタ３から集光される光束のＦ値が小さくなるに従い、ライトパイプ５の入射面１５から入射する光のロスが大きくなり、Ｆ値が大きくなるに従い、点光源として光が入射されるため、射出面１６から射出される射出光の均一性が得られ難くなるためである。

リフレクタ３から反射集光される光の集光点はできるだけ小さくしてライトパイプ５の入射面１５に照射されるようにすることが望ましい。そのためには光源４を点光源とする必要があるが、発光強度を大きくしようとすると光源４の外形は大きくなり、実際には１点に集光させることができない。従って、ライトパイプ５の入射面１５に照射された光束を内部に入力することができるように、ライトパイプ５の入射面１５はある程度の大きさの面積を有するようにする。光源部２から入射する光をライトパイプ５内に導くために、入射面１５の口径又は一辺の長さを３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の大きさに設定する。

なお、ライトパイプ５は、四角柱状或いは円柱状に形成されている。或いは内部を空洞とした四角筒状或いは円筒状に形成されている。特に、ライトパイプ５の断面を四角形の形状とすれば液晶表示素子１０との間の形状のマッチングが容易となり、光のロスを低減することができる。材質は光学ガラス或いは透明な樹脂が使用される。四角柱状或いは円柱状の外面は鏡面研磨されている。四角筒状或いは円筒状の内面は鏡面研磨もしくは金や銀、アルミニュームで蒸着された金属反射膜が形成されている。

ライトパイプ５は、光源部２から第１Ｆ値の光束を入射面１５において入射して、この第１Ｆ値よりも大きな第２Ｆ値の光束をその射出面１６から射出する。例えば、光源部２から入射する集光された光束のＦ値が０．９〜１．１である場合に、射出面１６から射出する光束の第２Ｆ値を１．２〜１．６へ拡大させる。より好ましくは、第２Ｆ値を１．３〜１．５に拡大させる。このようにライトパイプ５によりＦ値を拡大させることにより、リレーレンズ９の倍率を低下させることができる。ライトパイプ５は、入射光のＦ値を拡大させるために、ライトパイプ５の中心を通る光軸１３に垂直な面を通過することができる光の有効光路面積を、ライトパイプの入射面１５から射出面１６に向けて拡大する形状とする。具体的には、ライトパイプ５内において光を反射する反射面を、入射面から射出面に向けてテーパー角を設ける。ライトパイプ５の断面が四角形である場合には、４つの反射面のすべてを光軸１３に対して傾斜させる。或いは、対向する２つの反射面のいずれか一方を光軸１３に対して傾斜させるようにしてもよい。

ライトパイプ５から射出した光束は、リレーレンズ９に入射し、拡大されて液晶表示素子１０に照射される。リレーレンズ９は、入射光束を導く第１レンズ６と、第１レンズ６によりライトパイプ５の射出面１６が結像される位置に設けた絞り７と、フィールドレンズである第２レンズ８とから構成されている。なお、上記リレーレンズ９の構成は一例である。リレーレンズ９全体を１つのレンズとして考えて、リレーレンズ９に角度θｆ２の光束が入射し、この光束のＦ値を第２Ｆ値とし、リレーレンズ９から角度θｆ３の光束が射出し、この光束のＦ値を第３Ｆ値とし、リレーレンズ９の倍率をＭとして、Ｍ＝θｆ２／θｆ３＝第３Ｆ値／第２Ｆ値の関係を有する。

この場合に、ライトパイプ５の射出面１６の形状、例えば射出面１６の直径のＭ倍が概ね液晶表示素子１０の有効映像領域の直径となるように設定する。このように設定することにより、光のロスを最小限に低減させることができる。ライトパイプ５の射出面１６の直径をＭ倍したときに液晶表示素子１０の有効映像領域の直径よりもはみ出して大きくなる場合には、そのはみ出し部分の光が有効利用されないことになり、光のロスが発生する。また、その逆にライトパイプ５の射出面１６の直径が液晶表示素子１０の有効映像領域の直径よりも小さくなる場合には、液晶表示素子１０に表示された画像の周辺部分は暗くなり、投射画像のけられが生ずる、という不具合が発生する。

液晶表示素子１０に照射されたリレーレンズ９からの光束は、液晶表示素子１０の多数の微小なライトバルブにより映像光へ変換されて投射レンズ１１に照射される。液晶表示素子１０の各微小なライトバルブは、入射した光の光量を変化させるのみなので、光束の開き角度θｆ３をそのまま維持して投射レンズ１１へ射出する。従って、上記の不具合が発生しないようにするためには、液晶表示素子１０から射出される映像光、即ちリレーレンズ９から射出される光束の第３Ｆ値と、投射レンズ１１の入射側のＦ値とを一致させる必要がある。

投射レンズ１１は、近接投射用の投射レンズである。例えば、投射レンズ１１として投射側の映像光の半画角が４０°以上の広角レンズとする。このような近接投射用の投射レンズは収差を低減したパンフォーカスレンズを使用する必要がある。そのため、投射レンズ１１の入射側Ｆ値は３．０以上に設定する必要がある。液晶表示素子１０ではＦ値は変更されない。従って、リレーレンズ９の射出側のＦ値も３．０以上に設定して、リレーレンズ９の射出側のＦ値と投射レンズ１１の入射側のＦ値（第３Ｆ値）とを一致させる。

また、投射レンズ１１の半画角が４０°を超える広角レンズにおいては、縮小側にテレセントリック性が要求される。しかし、広角化自体が難しいことと歪曲収差や倍率色収差を補正することは容易でない。一般的には広角レンズは前群と後群に分かれており、対称性が著しく崩れている。そのために特にテレセントリック性が要求される場合は歪曲収差や倍率収差の補正を困難にしている。そこで、投射レンズ１１の入射側Ｆ値は概ね４以下に設定してこれら収差補正の困難性を緩和させることが望ましい。

以上をまとめると、ライトパイプ５は光源部２から集光された光をできるだけロスのないように取り込む。そのために、入射面１５の直径は３ｍｍ〜１０ｍｍの大きさにする。投射レンズ１１の入射側Ｆ値とリレーレンズ９の射出側Ｆ値とを一致させて、光のロスを小さくし、かつ、液晶表示素子１０に表示された映像にけられを無くして拡大投射されるようにする。また、リレーレンズ９の倍率Ｍは、ライトパイプ５の射出面１６の直径をＭ倍したときにちょうど液晶表示素子１０の有効映像領域の直径となるように設定する。また、同時にリレーレンズ９の射出側Ｆ値（第３Ｆ値）の１／Ｍ倍がライトパイプ５の射出側Ｆ値と一致するように、光源部２からの入射光Ｆ値（第１Ｆ値）、及び、ライトパイプ５のテーパー角を設定する。

具体的に説明する。投射レンズ１１の入射側Ｆ値が３．１〜４．２の範囲である場合には、リレーレンズ９の射出側Ｆ値（第３Ｆ値）を略同じＦ値に設定し、リレーレンズ９の入射側Ｆ値（第２Ｆ値）を３．１／Ｍ〜４．２／Ｍに設定する。例えば、リレーレンズ９の倍率Ｍを２．６とすれば、リレーレンズ９に入射する光束の入射側Ｆ値（第２Ｆ値）は略１．２〜１．６となる。光源部２から集光される光のＦ値（第１Ｆ値）が０．９〜１．１の範囲にある場合、ライトパイプ５はこのＦ値（第１Ｆ値）の光を入射して略１．２〜１．６のＦ値（第２Ｆ値）へ変換して射出するようにする。後に詳細に説明するが、この変換を行うために、ライトパイプ５の光路の外延をライトパイプ５の光軸１３に対して０．９°〜２．０°傾斜させればよい。そして、液晶表示素子１０の直径が例えば１５ｍｍである場合には、ライトパイプ５の射出面１６の直径を１５ｍｍ／Ｍ＝５．７ｍｍとする。そして、光軸１３に対して光路の外延のテーパー角が０．９°の場合にはライトパイプの入射面の直径を４．７ｍｍに、テーパー角が２．０°の場合にはライトパイプの入射面の直径を３．２ｍｍにする。また、光軸１３に対する光路の外延のテーパー角が例えば１．５°である場合には、ライトパイプ５の入射面の直径を約４ｍｍとすればよい。
このように設定することにより、ライトパイプ５は入射面１５において光源部２から集光された光をロスを少なくしてライトパイプ５内に取り込むことができ、射出面１６から射出される光束をロスを少なくして液晶表示素子１０の有効映像領域に照射し、投射レンズ１１から拡大投射することができる。

なお、光変調素子として透過型の液晶表示素子１０を使用した例を説明したが、これを反射型のＤＭＤ光変調素子や、反射型液晶表示素子を使用することができる。ＤＭＤ光変調素子を使用する場合には、光源部２とライトパイプ５の間、又は、ライトパイプ５とリレーレンズ９の間の光路にカラーホイールを設置する。また、リレーレンズ９から照射された光束はＤＭＤ光変調素子により反射されて、その反射光が投射レンズ１１に入射するように各素子を配置する。カラーホイールを回転させて、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色の光をＤＭＤ光変調素子に時分割して照射する。ＤＭＤ光変調素子はＲの色の光が照射されている期間にＲの色に対応する画像を表示させ、Ｇの色の光が照射されている期間にＧの色に対応する画像を表示させ、Ｂの色の光が照射されている期間にＢの色に対応する画像を表示させ、時間混色にフルカラー画像を投影表示する。また、光変調素子として反射型液晶表示素子を使用する場合には、図１に示すブロック図において、リレーレンズ９から液晶表示素子１０に照射された光束は透過せずに反射され、その反射光が投射レンズ１１を通すように構成すればよい。

図２は（ａ）は、矩形形状を有する中空（内部が空気）ライトパイプ５ａの、長手方向の断面図であり、図２（ｂ）は矩形形状を有する中実（内部が透光性材料）ライトパイプ５ｂの、長手方向の断面図である。図２（ａ）においては、ガラス材料からなる中空ライトパイプ５ａの内表面１７には金属アルミニュームの反射膜がコーティングされている。中空ライトパイプ５ａの上下の内表面１７は、その光軸１３に対して末広状にテーパー角δの傾き角を有している。中空ライトパイプ５ａ又は５ｂが円筒状の形状を有する場合には、内周面は光軸１３に対してテーパー角δの傾き角を有する。中空ライトパイプ５ａ又は５ｂが四角筒状の形状を有する場合には、光軸１３に対して上面及び下面の中心線がテーパー角δの傾き角を有し、両側面も同様である。

図２（ａ）は、断面が矩形状の中空ライトパイプ５ａである。光源部２から角度θｆ１で入射した光束は中空ライトパイプ５ａの入射面１５において、角度α１で入射する。内部が空洞であることからθｆ１＝α１となる。そして上部内面において１回目の反射により、反射光は光軸１３に対して（α１−２δ）の角度となる。中空ライトパイプ５ａの内面で３回反射された光は、光軸１３に対して（α１−６δ）の角度となる。従って、射出面１６からは角度θｆ２＝α１−６δの角度で射出する。例えば、角度θｆ１が３０°、第１Ｆ値が１．０の入射光が中空ライトパイプ５ａに入射し、中空ライトパイプ５ａの側面のテーパー角δが１．５°、その内面において３回反射されるとする。この場合、上記式より角度θｆ２は２１°となり、第２Ｆ値は１．４となる。従って、第１Ｆ値１．０で入射した入射光は第２Ｆ値１．４の射出光へ変換される。

図２（ｂ）は、断面が矩形状の中実ライトパイプ５ｂである。中実ライトパイプ５ｂは透明なガラスからなり、外部の空気よりも高い屈折率を有する。そのため、中実ライトパイプ５ｂの表面１８に斜めに入射した光は全反射され、上下表面においてこれが繰り返されて光が進む。図２（ａ）と同様に、中実ライトパイプ５ｂの上辺及び下辺は、光軸１３に対してテーパー角δを有する。そのために、光軸１３に対して角度α１で進む光は１回目の全反射で光軸１３に対してα１−２δの角度となり、２回目の全反射でα１−４δの角度で進む。例えば、テーパー角δを１．５°、中実ライトパイプ５ｂの屈折率を１．４６、光源部２から入射する角度θｆ１を３０°とする。すると、入射した光のα１は２０°となり、２回全反射した光はα１−４δ＝１４°となる。この光は射出面１６において再度屈折され、θｆ２＝２０．７の角度で射出する。この射出光の第２Ｆ値は約１．４６である。従って、第１Ｆ値１．０で入射した入射光は第２Ｆ値１．４６の射出光へ変換される。

ライトパイプ５が中空の場合と中実の場合では次の相違点がある。中空ライトパイプ５ａの場合には、その内面に反射膜を形成しなければならない。ライトパイプ５ａは内径が例えば数ｍｍ、長さが約３０ｍｍの大きさを有する。このような小さな中空の内面に反射率の高い反射膜を形成するのは難しい。また、銀等の反射膜を形成しても、反射面において多少光が吸収、透過されるので、光のロスが生ずる。これに対して、中実のライトパイプ５ｂの場合には、内面において全反射されるので、反射による光のロスは少ない。その反面、ライトパイプ５ｂ内を進む光の光軸１３に対する角度が浅くなるために、同じ反射回数を得ようとすると、ライトパイプ５の長さがより長くなり、また、屈折率の値の分だけ光路長が長くなる。しかし、ライトパイプ５ｂ内を進む光の光軸１３に対する角度が浅いため、少ない反射回数で大きくＦ値を変換することができる。その結果、中実ライトパイプ５ｂを使用するほうがコスト的に、また小型化の点で有利である。

ライトパイプ５は、入射面１５から入射した光を射出面１６において面分布のできるだけ均一な射出光として射出するようにしたい。本発明者の実験によれば、ライトパイプ５内面において２回以上反射が繰り返されることにより、射出面１６における射出光の面分布が比較的に均一になることが確認された。

例えば、上記図２（ａ）に示す中空ライトパイプ５ａの場合に、入射面１５において、光軸１３から上辺の内表面１７までの距離ｄ１を２ｍｍとし、射出面１６において、光軸１３から上辺の内表面１７までの距離ｄ２を２．８４ｍｍとし、中空ライトパイプ５ａの長さＬを３２ｍｍとすれば、テーパー角δは１．５°とすることができる。入射面１５において一辺が４ｍｍの大きさを有するので、光源部２からの入射光を光のロスを少なくして内部に導入することができる。また、中空ライトパイプ５ａの射出面１６は一辺が５．６８ｍｍの大きさを有するので、リレーレンズ９の倍率Ｍが２．６である場合には、液晶表示素子１０の表示有効面の一辺を約１５ｍｍとすればよい。

次に、上図２（ｂ）に示す中実ライトパイプ５ｂの場合に、入射面１５において、光軸１３から上辺の表面１８までの距離ｄ１を２ｍｍとし、射出面１６において、光軸１３から上辺の表面１８までの距離ｄ２を２．７１ｍｍとし、中実ライトパイプ５ｂの長さＬを２７ｍｍとすれば、テーパー角δは１．５°とすることができる。入射面１５において一辺が４ｍｍの大きさを有するので、光源部２からの集光された光をロスを少なくして取り込むことができる。また、射出面１６において一辺が５．４２ｍｍの大きさを有するので、リレーレンズ９の倍率Ｍを２．６倍として、液晶表示素子１０の表示有効面の一辺を約１４ｍｍとすればよい。このように、中実ライトパイプ５ｂを使用することにより、中空ライトパイプ５ａに対して、長さＬを３２ｍｍから２７ｍｍへ短くしても同様の効果を得ることができる。

以上の説明において、テーパー角δを１．５°とした例について説明したが、これに限定されない。投射レンズ１１は、その入射側Ｆ値が大きな値をとるに従い、ライトパイプ５の射出面１６における光強度分布が投影像に反映されやすくなる。ライトパイプ５の射出面１６における光強度分布は理想的な均一分布とはならないので、投射レンズ１１の入射側Ｆ値はあまりに大きくすることができない。また、既に説明したように、投射レンズ１１の収差補正の困難性を緩和させるためにも、投射レンズ１１の入射側Ｆ値はあまりに大きくすることは好ましくない。一方、その入射側Ｆ値が小さな値をとるに従い、投射像の焦点深度が浅くなる。これらの点を考慮すると、投射レンズ１１の入射側Ｆは概ね３〜４の範囲が好適である。

そこで、投射レンズ１１の入射側Ｆ値、即ち第３Ｆ値が３．１〜４．２である場合に、光のロスを低減させるための他の構成要素の条件を求める。まず、光源部２から集光される光の第１Ｆ値を１．０、リレーレンズ９の倍率Ｍを２．６に固定する。また、ライトパイプ５は中空型のライトパイプとする。例えば、ライトパイプ５の内表面１７のテーパー角δが０．９°の場合は、ライトパイプ５から射出される光束の第２Ｆ値は約１．２であり、リレーレンズ９から射出され、投射レンズ１１に入射する光束の第３Ｆ値は約３．１となる。この場合、ライトパイプ５の入射面１５の一辺の長さを４ｍｍとすれば、射出面１６の対応する辺の長さは約５ｍｍとなり、液晶表示素子１０の対応する辺の長さを約１３ｍｍとすればよい。同様に、テーパー角δが２°の場合は、第２Ｆ値が約１．６、第３Ｆ値が約４．２となる。この場合、入射面１５の一辺の長さを４ｍｍとすれば、射出面１６の対応する辺の長さは約５．８ｍｍとなり、液晶表示素子１０の対応する辺の長さを約１５．２ｍｍとすればよい。まとめると、投射レンズ１１の入射側Ｆ値（第３Ｆ値）が３．１〜４．２の場合には、ライトパイプ５のテーパー角δを０．９°〜２°の範囲に設定するのが好ましい。更に、ライトパイプ５の入射面１５の一辺の長さを４ｍｍとすれば、射出面１６の対応する長さは約５．０ｍｍ〜５．８ｍｍとなり、従って液晶表示素子１０の対応する辺の長さは１３ｍｍ〜１５．２ｍｍの範囲とすればよい。

また、投射レンズ１１が近接投射の場合、入射側Ｆ値（第３Ｆ値）は３．４〜３．８がより好適な範囲となる。ライトパイプ５のテーパー角δを１．３°に設定すれば第２Ｆ値が約１．３、第３Ｆ値が約３．４となり、テーパー角δを１．７°に設定すれば第２Ｆ値が約１．５、第３Ｆ値が約３．８となる。従って、この場合には、ライトパイプ５のテーパー角δを１．３°〜１．７°の範囲に設定するのが好ましい。また、ライトパイプ５の入射面１５の一辺の長さを４ｍｍとすれば、射出面１６の対応する長さは約５．５ｍｍ〜５．７ｍｍとなり、従って液晶表示素子１０の対応する辺の長さは１４．２ｍｍ〜１４．９ｍｍの範囲とすればよい。なお、上記の条件は、リレーレンズ９の倍率Ｍを２．６に固定して得られる値であるが、これを２．６から変化させることにより、上記第３Ｆ値はさらに調整することができる。

次に、ライトパイプ５を中実型のライトパイプとする。例えば、ライトパイプ５の内表面１７のテーパー角δが０．９°の場合は、ライトパイプ５から射出される光束の第２Ｆ値は約１．２であり、リレーレンズ９から射出され、投射レンズ１１に入射する光束の第３Ｆ値は約３．２となる。この場合、ライトパイプ５の入射面１５の一辺の長さを４ｍｍとすれば、射出面１６の対応する辺の長さは約４．９ｍｍとなり、液晶表示素子１０の対応する辺の長さを約１２．６ｍｍとすればよい。同様に、テーパー角δが２°の場合は、第２Ｆ値が約１．７、第３Ｆ値が約４．３となる。この場合、入射面１５の一辺の長さを４ｍｍとすれば、射出面１６の対応する辺の長さは約６．０ｍｍとなり、液晶表示素子１０の対応する辺の長さを約１５．６ｍｍとすればよい。まとめると、投射レンズ１１の入射側Ｆ値（第３Ｆ値）が３．２〜４．３の場合には、ライトパイプ５のテーパー角δを０．９°〜２°の範囲に設定するのが好ましい。更に、ライトパイプ５の入射面１５の一辺の長さを４ｍｍとすれば、射出面１６の対応する長さは約４．９ｍｍ〜６．０ｍｍとなり、従って液晶表示素子１０の対応する辺の長さは１２．６ｍｍ〜１５．６ｍｍの範囲とすればよい。

更に、投射レンズ１１が近接投射の場合には、投射レンズ１１の入射側Ｆ値は３．４〜３．８が好適な範囲となる。ライトパイプ５のテーパー角δを１．２°に設定すれば第２Ｆ値が約１．３、第３Ｆ値が約３．４となり、テーパー角δを１．５°に設定すれば第２Ｆ値が約１．５、第３Ｆ値が約３．８となる。従って、投射レンズ１１が近接投射レンズを使用する場合には、ライトパイプ５のテーパー角δを１．２°〜１．５°の範囲に設定するのが好ましい。この場合、ライトパイプ５の入射面１５の一辺の長さを４ｍｍとすれば、射出面１６の対応する長さは約５．１ｍｍ〜５．４ｍｍとなり、従って液晶表示素子１０の対応する辺の長さは１３．１ｍｍ〜１４．１ｍｍの範囲とすればよい。この結果、中空型に対して中実型のライトパイプ５は、同一の投射レンズ１１を使用する場合に、液晶表示素子１０の有効映像領域の面積を小さくすることができる、という利点を有する。

図３は、ライトパイプ５の外観図及び射出面の平面図を表す。図３（ａ）は、円筒状の中空ライトパイプ５ｃと、その射出面１６ｃの形状を表す。図３（ｂ）は、円筒状の中実ライトパイプ５ｄと、その射出面１６ｄの形状を表す。図３（ｃ）は、四角形の中空ライトパイプ５ｅと、その射出面１６ｅの形状を表す。射出面の長辺Ｌｘｅと短辺Ｌｙｅとの間の比を４：３としている。液晶表示素子１０の表示有効面の形状と一致させて、光のロスを減少させるためである。図３（ｄ）は、四角形の中実ライトパイプ５ｆと、その射出面１６ｆの形状を表す。長辺Ｌｘｆと短辺Ｌｙｆの間の比を１６：９として、液晶表示素子１０の表示有効面の形状と一致させる。なお、四角形のライトパイプの場合には、少なくともその射出面１６の形状を、表示素子の有効映像領域の形状と相似形の形状とすればよい。また、上記のライトパイプは、いずれも入射面側から射出面にかけて末広状に光路面が拡大する。

本発明の実施の形態に係る映像投影装置の模式的ブロック図である。 本発明の実施の形態に係る映像投影装置に使用するライトパイプの長手方向の断面図である。 本発明の実施の形態に係る映像投影装置に使用するライトパイプの外観図である。 従来公知の映像投影装置の概観図である。 従来公知の映像投影装置の映像光を投影する状態を表す模式図である。 従来公知の映像投影装置の光路を表す説明図である。

符号の説明

１ 映像投影装置
２ 光源部
３ リフレクタ
４ 光源
５ ライトパイプ
９ リレーレンズ
１０ 液晶表示素子
１１ 投射レンズ
１２ 光源部の光軸
１３ ライトパイプの光軸

Claims (8)

1. 発光した光が集光された光束として射出する光源部と、前記集光された光束を入射面から入射し、導光して射出面から光束を射出するライトパイプと、前記射出された光束を伝達するリレーレンズと、前記リレーレンズからの光束を入射して映像光へ変換する光変調素子と、前記光変調素子からの映像光を拡大投射する投射レンズとを備えた映像投影装置において、
   前記ライトパイプは、前記光源部から第１Ｆ値の光束として前記入射面から入射し、前記第１Ｆ値よりも大きい第２Ｆ値の光束として前記射出面から射出することを特徴とする映像投影装置。
2. 前記ライトパイプの光軸に直行する平面と前記ライトパイプ内の光路とが交差する前記光路の横断面は、入射側から射出側にかけて末広状に拡大することを特徴とする請求項１に記載の映像投影装置。
3. 前記ライトパイプ内の光路の外延は、前記ライトパイプの光軸に対して０．９°〜２．０°の範囲のテーパー角を有することを特徴とする請求項２に記載の映像投影装置。
4. 前記ライトパイプ内の光路の外延は、前記ライトパイプの光軸に対して１．３°〜１．７°の範囲のテーパー角を有することを特徴とする請求項３に記載の映像投影装置。
5. 前記ライトパイプは、透光性材料を用いた中実パイプであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の映像投影装置。
6. 前記光源部の前記第１Ｆ値が０．９〜１．１であり、前記ライトパイプの射出側の前記第２Ｆ値が１．２〜１．６であり、前記光変調素子の映像光射出側の第３Ｆ値が３．１〜４．２であり、前記投射レンズの入射側は前記第３Ｆ値を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の映像投影装置。
7. 前記投射レンズは、投射側の半画角が４０°以上の広角レンズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の映像投影装置。
8. 前記光源部から入射する光束のうち前記ライトパイプの光軸に対して最大角度を有する光は、前記ライトパイプの内面において少なくとも２回繰り返して反射されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の映像投影装置。

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